自动多功能可调式便老轮椅的设计

李欣疏，徐树平，王琛玮，任祉亦，李春阳

(吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林，132022)

随着我国人口老龄化日趋严重，高龄化的社会结构已成为我国面临的重大挑战.面对老年人日常行走和生活移动等诸多困难，使用助老轮椅可以有效提升老年人群的生活质量.既可以有效节省社会劳动力，创造更大的社会价值，同时能够满足老年人群在日常生活中的基本活动.市面现售的轮椅价格在1.2～4.5万不等，价格高昂且功能性较单一，难以满足多功能的日常需求.本产品在普通轮椅的基础上将其功能进行改进和整合，既能够实现轮椅靠背的自动调整，也能够实现人员的“传送”功能，使产品更加人性化[1-2].

1 轮椅的组成部分

轮椅总宽度为65 cm，总长度为104 cm，椅座的高度为51 cm，由轮椅架、扶手、轮、制动装置、靠背和座椅等主要部分组成.轮椅架采用折叠式结构，折起后体积小，便于携带，材料选用薄壁钢管，表面镀铬烤漆，重量较轻.轮椅装有一对大轮和一对小轮，每个大轮装有驱动轮圈，使用者双手驱动轮圈使轮椅前进、后退或转向，前置小轮，可万向转动.制动装置采用手扳式刹车，起驻车作用.座椅和靠背内置多根滚轴，外包皮革，实现人员的传送，同时靠背由不完全齿轮机构实现自动调整角度.如图1所示.

图1 轮椅实物图

2 设计方案

2.1 靠背和座椅的结构

靠背和座椅均采用滚轴加皮带的结构，其原理同运输带相同，可以方便使用者从床、沙发到轮椅间的转移，如图2所示.

图2 靠背和座椅结构图

根据靠背和座椅的尺寸，靠背安装14根滚轴，座椅安装11根滚轴，均匀分布，结构简单且紧凑，受载均匀.滚轴采用空心三型聚苯乙烯管，重量较轻，既可以减轻轮椅的总体重量，又能保证座椅和靠背的强度.皮带缠绕在均匀排布的滚轴外部，采用硅胶板材质，有良好的弹性，耐老化，同时具有防水、阻燃、耐磨、耐油等优良性能[3].

靠背采用自动可调式结构，此结构类似汽车座椅的靠背.座椅舒适度的好坏将直接影响乘坐者对轮椅的体验感，因此选择舒适度较高的能够满足人机工程学要求的座椅，使轮椅的靠背能够实现从90°～180°调整.当使用者需要移动到床、沙发时，打开调节开关，靠背自动展开，展至合适角度后停下进行移动.

2.2 靠背调节方案

靠背通过液压千斤顶来实现自动调节，活塞杆的往复运动带动柱塞往复运动，从而使靠背实现角度的调节，液压式千斤顶结构紧凑，工作平稳，有自锁作用，如图3所示.

图3 液压千斤顶

2.3 液压自动调节方案

千斤顶活塞的往复运动可以通过凸轮机构、曲柄摇杆机构和不完全齿轮机构等进行驱动，为了保证传动的稳定性与准确性，采用不完全齿轮机构进行驱动[4-5].

主动齿轮保留4个轮齿，根据运动时间和停歇时间要求，从动齿条加工16个轮齿.齿轮传动过程如下：主动齿轮与齿条1进入啮合，齿条单向运动；主动齿轮与齿条1退出啮合，齿条静止；继续转动的主动齿轮与齿条2进入啮合，齿条反向运动；主动齿轮与齿条2退出啮合，齿条静止.两齿条由保持架固定，同步运动，传动示意图如图4所示.通过主动轮带动的齿条往复运动，从而实现液压千斤顶活塞杆的往复运动，且整体尺寸较小，节省空间，使轮椅的造型更加简洁美观.液压自动调节装置安装位置如图5所示.

图4 不完全齿轮机构传动示意图

图5 轮椅装配图

3 产品的设计

3.1 电机的选择

电机阻力F=2 000 N,速度v=0.02 m/s，电机的有效功率为：

(1)

电机所需功率为：

(2)

故选择直流减速电机，型号为XD37GB555系列永磁直流减速电机，具有体积小、低噪音、扭力大、调速范围宽等优点.

3.2 齿轮的设计

3.2.1 工作条件及基本参数

采用不完全直齿圆柱齿轮，转速n=20 r/min，扭矩T=62 N·mm，使用寿命10 y，每天预计使用8 h，中等冲击[3-4].基本参数见表1.

表1 齿轮参数表

3.2.2 齿根弯曲疲劳强度校核

齿形系数YFa=2.97，应力修正系数YSa=1.52，载荷系数K=1.3，弯曲疲劳强度极限σFmax=450 MPa，弯曲疲劳强度寿命系数YN=1,安全系数SF=1.4，计算需用弯曲应力：

(3)

校核齿根弯曲疲劳强度：

=0.274 MPa<[σF] .

(4)

弯曲强度符合要求.

3.3 轴承的寿命校核

根据GB/T 276—1994选择6000型号深沟球轴承，基本参数如表2所示.

表2 轴承基本参数表

深沟球轴承X=1，Y=0，当量动载荷：

(5)

轴承的寿命计算公式：

(6)

满足设计要求.

3.4 轮椅架的设计

轮椅架需要承担人体及座椅靠背皮带等重量，总重量约G=1 250 N.轮椅架材料选择45钢，抗拉强度为600 MPa，屈服强度为355 MPa，则轮椅架支撑材料截面积：

(7)

轮椅的主结构采用直径为20mm的薄壁钢管，符合设计需求[6-10].

4 结 论

在人口老龄化日益严重的现代社会，越来越多年老者的日常生活需求需要被满足.本设计能够满足年老者对轮椅的多重需求，提高年老者的自理能力.轮椅靠背的角度可实现90°～180°的调节，使用者可以选择适合自己的角度；通过不完全齿轮机构驱动千斤顶活塞往复运动，传动更加稳定；靠背放平调至180°，通过座椅和靠背内置的滚轴，实现从轮椅至沙发和床等位置的移动.